精密臥式加工中心整機(jī)靜動(dòng)剛度正向設(shè)計(jì)方法研究.pdf

1、精密臥式加工中心作為裝備制造業(yè)的“工作母機(jī)”，其發(fā)展水平對(duì)我國(guó)的裝備制造業(yè)的整體水平有著直接的影響。整機(jī)靜動(dòng)剛度是保證其加工精度的關(guān)鍵因素。目前國(guó)內(nèi)的靜動(dòng)剛度設(shè)計(jì)多基于經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行類比設(shè)計(jì)，缺乏系統(tǒng)化、定量化、快速滿足用戶需求的設(shè)計(jì)方法。為此，本文以用戶需求的整機(jī)靜動(dòng)剛度為目標(biāo)，系統(tǒng)地研究了精密臥式加工中心整機(jī)靜動(dòng)剛度正向設(shè)計(jì)方法，取得了如下成果：
　　1.提出了一種新的表示精密臥式加工中心部件靜剛度的方法。即將部件特定位置處的靜剛度

2、值作為靜剛度系數(shù)來(lái)表征部件靜剛度，這些位置既與末端靜剛度直接相關(guān)，又能夠代表部件自身。這種方法有助于在設(shè)計(jì)初期僅有整機(jī)基本尺寸的情況下將靜剛度的物理模型抽象成數(shù)學(xué)模型，也能夠成為將來(lái)部件詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目標(biāo)。
　　2.以靜剛度系數(shù)表征部件靜剛度為基礎(chǔ)，利用多體系統(tǒng)理論，建立了整機(jī)靜剛度模型。在建模的過(guò)程中，考慮到了結(jié)構(gòu)件的柔性，將影響因子加入其中來(lái)描述一個(gè)位置受到的作用力對(duì)另一個(gè)位置的變形的影響。通過(guò)與整機(jī)靜剛度實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了

3、模型的正確性。該模型能夠適用于機(jī)床設(shè)計(jì)的骨架模型階段，定性和定量的反映了“框中框”式精密臥式加工中心的靜剛度特性，同時(shí)也反映出了機(jī)床的基本尺寸對(duì)整機(jī)靜剛度的影響。
　　3.提出了精密臥式加工中心整機(jī)靜剛度匹配設(shè)計(jì)的方法。在骨架模型階段，以用戶需求的整機(jī)靜剛度為目標(biāo)，利用整機(jī)靜剛度數(shù)學(xué)模型進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)，得到各部件靜剛度值。在匹配過(guò)程中，采用試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法分析了各部件靜剛度對(duì)整機(jī)靜剛度的貢獻(xiàn)率，發(fā)現(xiàn)了其中的薄弱環(huán)節(jié)。通過(guò)仿真實(shí)例，說(shuō)明

4、了該匹配方法的可行性和有效性。
　　4.基于CAD/CAE聯(lián)合仿真分析平臺(tái)，利用NSGA-II優(yōu)化設(shè)計(jì)方法計(jì)算出了與靜剛度值相對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)件外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和內(nèi)部筋板布局。進(jìn)而計(jì)算出了常用的結(jié)構(gòu)件靜剛度所對(duì)應(yīng)的所有結(jié)構(gòu)方案，形成了結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)方案數(shù)據(jù)庫(kù)。這樣，以整機(jī)靜剛度為目標(biāo)，匹配得到了各部件的靜剛度，并以這些部件靜剛度為目標(biāo)，選出了各結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)方案，最終完成了整機(jī)靜剛度的正向設(shè)計(jì)。
　　5.構(gòu)建了整機(jī)參數(shù)化模型，利用CAD/

5、CAE聯(lián)合仿真分析平臺(tái)研究了各結(jié)構(gòu)件質(zhì)量對(duì)整機(jī)固有頻率的影響規(guī)律；采用試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行了各結(jié)構(gòu)件質(zhì)量對(duì)整機(jī)固有頻率的貢獻(xiàn)率分析，發(fā)現(xiàn)了床身質(zhì)量，尤其是后床身質(zhì)量是影響整機(jī)固有頻率的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，進(jìn)而提出了整機(jī)動(dòng)剛度匹配設(shè)計(jì)方法：在整機(jī)靜剛度匹配設(shè)計(jì)完成的情況下，以給定的整機(jī)一階固有頻率為目標(biāo)，利用床身質(zhì)量等與一階固有頻率的函數(shù)關(guān)系，確定出滿足要求的床身質(zhì)量與結(jié)構(gòu)尺寸。上述研究成果為精密臥式加工中心的正向設(shè)計(jì)提供的理論支撐，并開(kāi)發(fā)出了相應(yīng)的